燃气轮机进气蒸发冷却系统在全国各地区的适用性分析_刘金星

第１１卷　第６

期２　０　１　１年１　

２月ＲＥＦＲＩＧＥＲＡＴＩＯＮ　ＡＮＤ　ＡＩＲ－ＣＯＮＤＩＴＩＯＮＩＮＧ　９３－

９６收稿日期：２０１１－０４－

１８作者简介：刘金星，在读硕士研究生，主要从事制冷空调节能技术研究。

燃气轮机进气蒸发冷却系统在全国

各地区的适用性分析

刘金星　辛军哲

（广州大学）

摘　要　采用典型气象年逐时气象参数，对全国各主要城市使用ＰＧ６１１１ＦＡ型燃气轮机加装进气蒸发冷却系统的全年运行效果进行技术经济性分析。

关键词　燃气轮机；湿球温度；进气蒸发冷却；技术经济性；效果分析

Ａｐｐｌｉｃａｂｉｌｉｔｙ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｉｎｌｅｔ　ｅｖａｐｏｒａｔｉｖｅ　ｃｏｏｌｉｎｇ　

ｓｙｓｔｅｍ　ｆｏｒ　ｇａｓｔｕｒｂｉｎｅ　ｉｎ　ｅａｃｈ　ｒｅｇ

ｉｏｎ　ｏｆ　ＣｈｉｎａＬｉｕ　Ｊｉｎｘｉｎｇ

　Ｘｉｎ　Ｊｕｎｚｈｅ（Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ

）ＡＢＳＴＲＡＣＴ　Ａｎａｌｙｚｅｓ　ｔｈｅ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ａｎｄ　ｅｃｏｎｏｍｙ　ｏｆ　ｉｎｌｅｔ　ｅｖａｐｏｒａｔｉｖｅ　ｃｏｏｌｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ　ｆｏｒＰＧ６１１１ＦＡ　ｇａｓ　ｔｕｒｂｉｎｅ　ｉｎ　ｍａｉｎ　ｃｉｔｉｅｓ　ｏｆ　ｏｕｒ　ｃｏｕｎｔｒｙ　ａｄｏｐｔｉｎｇ　ｔｈｅ　ｈｏｕｒｌｙ　ｗｅａｔｈｅｒ　ｄａｔｅ　ｉｎｔｈｅ　ｔｙｐｉｃａｌ　ｍｅｔｅｏｒｏｌｏｇｉｃａｌ　ｙｅａｒ．ＫＥＹ　ＷＯＲＤＳ　ｇａｓ　ｔｕｒｂｉｎｅ；ｗｅｔ　ｂｕｌｂ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ；ｉｎｌｅｔ　ｅｖａｐｏｒａｔｉｖｅ　ｃｏｏｌｉｎｇ；ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄ　ｅｃｏｎｏｍｙ；ｅｆｆｅｃｔ　ａｎａｌｙ

ｓｉｓ 目前，

燃气轮机进气口空气冷却技术主要有制冷式（压缩、吸收）冷却和蒸发式（湿膜、喷水雾化等）冷却２种。与制冷式冷却方式相比，蒸发式冷却具有适用范围广（甚至包括在沿海等高湿度地区）、系统简单、投资少等优点，但蒸发式冷却受空气干球温度和湿度的影响。笔者从技术经济性角度论证燃气轮机进气蒸发冷却系统在我国各典型城市的适用性。

１　进气蒸发冷却系统原理及其对燃气轮机性能

的影响分析１．１　进气蒸发冷却原理

在没有其他热源条件下，水与空气间的热湿交换过程是空气传递显热给水，空气温度下降。而由于水的蒸发，不但空气的含湿量要增加，且进入空气的水蒸发带回一些汽化潜热。这２种热量相等，故水温会稳定于一平衡温度，即空气的湿球温度。只要空气不是饱和的，湿球温度总是低于干球温度，即水温总是低于空气干球温度。所以，

利用循环水直接（或通过填料层）喷淋空气或通过换热器与空气换热，可以取得空气的降温效果。１．２　燃气轮机性能的影响因素分析

燃气轮机的性能与其所处的环境有关，影响因素主要是有４个：空气温度、空气湿度、大气压力（即海拔高度）及进气阻力损失。由环境温湿度对

燃气轮机性能的影响［１

］可知，在高温天气，加装压

气机进气冷却装置是提高燃气轮机出力最为快速有效且安全可靠的方法；大气压力随着海拔高度的升高而降低，在非标准状况下，燃气轮机的出

力、热耗和排气流量与海拔成反比，如图１［２］所示。

值得注意的是：海拔高度对排气温度、热耗率和热效率没有影响；进气压力损失每增加１０．０ｋＰａ

，将会使出力减少１．５％，热耗率增加０．５％［２］。

２　计算参数２．１　燃气轮机基本设计参数

ＰＧ６１１１ＦＡ型燃气轮机标准工况的设计参

数［３

］：大气压力１．０１３　

ｂａｒ，环境温度１５．０℃，相对

　·９４

·第１１卷

图１　大气压力和海拔高度与燃气轮机性能的关系

湿度６０％，出力７５　８７０　ｋＷ，耗热量７８１　ＧＪ／ｈ，热

耗率１０　３００　ｋＪ／（ｋＷ·ｈ），排气流量７５６×１０３　ｋｇ／

ｈ，排气温度６０４℃。

２．２　气象参数的选取

进气蒸发冷却系统的效果与进气的状态（如

温度、湿度）密切相关，为了分析ＰＧ６１１１ＦＡ型燃

气轮机发电机组使用进气蒸发冷却系统在我国各

个典型城市的运行效果，计算时采用典型气象年

逐时气象参数作为进气状态参数的依据。典型气

象年是在建筑热环境分析中所引入的一个概念，

它是以近３０年的统计数据为基础，在近１０年的气

象数据中挑选出来的能够充分反映长期的气象变

化规律的全年逐时气象数据［４］。

２．３　进气蒸发冷却系统工作条件

根据燃气轮机对进气的要求，选取文献［１］中

设计的进气冷却系统，其阻力增加值为２５０　Ｐａ，在

环境温度大于５℃时开启。

３　计算方法

３．１　未加装进气蒸发冷却系统

燃气轮机的年发电量由式（１）和（２）计算：

Ｐ１＝∑

８　７６０

ｉ＝１

Ｐｉａ（１）

Ｐｉａ＝ｌｐｉｌｔｉｌｓｉＰ（２）

式中：Ｐ１为燃气轮机年发电量（ｋＷ·ｈ）；ｐｉａ为第ｉ

小时燃气轮机的出力（ｋＷ）；Ｐ为燃气轮机标准工

况的出力（ｋＷ）；ｌ

ｐｉ

为第ｉ小时进气大气压力对出

力的修正系数，如图１所示；ｌｔｉ为第ｉ小时进气温

度对出力的修正系数［１］；ｌｓｉ为第ｉ小时进气含湿量

对出力的修正系数［１］。

年热耗由式（３）和（４）计算：

Ｑ１＝∑

８　７６０

ｉ＝１

Ｐｉａｑｉａ（３）

ｑｉａ＝ξｔｉξｓｉｑ（４）

式中：Ｑ１为燃气轮机年热耗（ｋＪ）；ｑｉａ为第ｉ小时未

加装进气蒸发冷却系统时燃气轮机的热耗率（ｋＪ／

（ｋＷ·ｈ））；ξ

ｔｉ

为第ｉ小时进气温度对热耗率的修

正系数［１］；ξｓｉ为第ｉ小时进气含湿量对热耗率的修

正系数［１］；ｑ为燃气轮机标准工况的热耗率（ｋＪ／（ｋＷ

·ｈ））。

平均出力由式（５）计算：

Ｐ１＝

１

８　７６０

∑

８　７６０

ｉ＝１

Ｐｉａ（５）

平均热耗由式（６）计算：

Ｑ１＝

１

８　７６０

∑

８　７６０

ｉ＝１

Ｐｉａｑｉａ（６）

３．２　加装进气蒸发冷却系统

在进气蒸发冷却系统中，出口空气干球温度

由式（７）计算：

ｔ１＝ｔ－

η

１００％

（ｔ－ｔ

ｗｂ

）（７）

式中：ｔ为冷却系统进口空气干球温度（℃）；ｔｗｂ为

冷却系统进口空气湿球温度（℃）；η为蒸发冷却效

率，根据文献［１］所设计的进气蒸发冷却装置，蒸

发冷却效率取８５％。

出口空气含湿量由式（８）计算：

ｄ１＝ｄ－

η

１００％

（ｄ－ｄ

ｗｂ

）（８）

式中：ｄ为进口空气含湿量（ｇ／ｋｇ干空气）；ｄｗｂ为进气

空气湿球温度下的含湿量（ｇ／ｋｇ干空气）。

燃气轮机年发电量由式（９）和（１０）计算：

Ｐ２＝φｐＰ１＋（∑ｎ

ｉ＝１

Ｐｉｂ－φｐ∑ｎ

ｉ＝１

Ｐｉａ）（９）

Ｐｉｂ＝φｐｌｐｉｌｔｉｌｓｉＰ（１０）

式中：ｎ为蒸发冷却系统年运行小时数（ｈ）；Ｐ２为燃

气轮机年发电量（ｋＷ·ｈ）；Ｐｉｂ为第ｉ小时燃气轮机

的出力（ｋＷ）；φ

ｐ

为进气压力损失对出力的修正系

数；其余参数意义同上，其中计算Ｐｉａ时温度修正系

数ｌｔｉ和含湿量修正系数ｌｓｉ的温度和含湿量分别取第

ｉ小时进气蒸发冷却系统进口空气的干球温度ｔ和

含湿量ｄ，而计算Ｐｉｂ时温度修正系数ｌｔｉ和含湿量修

正系数ｌｓｉ的温度和含湿量分别取第ｉ小时进气蒸发

冷却系统出口空气的干球温度ｔ１和含湿量ｄ１。

年热耗由式（１１）和（１２）计算：

Ｑ２＝φｐφｑＱ１＋（∑ｎ

ｉ＝１

Ｐｉｂｑｉｂ－φｐφｑ∑ｎ

ｉ＝１

Ｐｉａｑｉａ）（１１）